De Melkweg meet 100 tot 120 duizend lichtjaar in doorsnede, een afstand die de verbeelding tart. Maar clusters van sterrenstelsels, die bestaan uit honderden tot duizenden sterrenstelsels die onder een collectieve zwaartekracht zwermen, kunnen tientallen miljoenen lichtjaren omvatten.
Deze enorme clusters vormen een complex samenspel tussen botsende sterrenstelsels en donkere materie. Ze lijken onmogelijk precies in kaart te brengen. Maar nu heeft een internationaal team van astronomen die de NASA / ESA Hubble-ruimtetelescoop gebruiken precies dit gedaan: precies een melkwegcluster in kaart brengen, genaamd MCS J0416.1–2403, 4,5 miljard lichtjaar verwijderd.
“Hoewel we al meer dan twintig jaar weten hoe we de massa van een cluster in kaart kunnen brengen met behulp van sterke lenzen, heeft het lang geduurd voordat we telescopen hebben gekregen die voldoende diepe en scherpe waarnemingen kunnen doen, en voordat onze modellen geavanceerd genoeg zijn geworden voor ons om in zo'n ongekend detail een systeem in kaart te brengen dat zo ingewikkeld is als MCS J0416.1–2403, ”zei co-auteur Jean-Paul Kneib in een persbericht.
Het meten van de hoeveelheid en verdeling van massa binnen verre objecten kan buitengewoon moeilijk zijn. Vooral wanneer driekwart van alle materie in het heelal donkere materie is, die niet direct kan worden gezien omdat het geen licht uitstraalt of weerkaatst. Het werkt alleen samen door zwaartekracht.
Maar gelukkig vervormen grote klonten materie en vervormen het weefsel van de ruimtetijd om hen heen. Ze gedragen zich als lenzen en lijken het licht te vergroten en te buigen dat langs hen heen komt van verder weg gelegen objecten.
Dit effect, bekend als zwaartekrachtlensing, is slechts in zeldzame gevallen zichtbaar en kan alleen worden opgemerkt door de grootste telescopen. Zelfs clusters van sterrenstelsels produceren, ondanks hun enorme omvang, minimale zwaartekrachteffecten op hun omgeving. Meestal veroorzaken ze zwakke lenzen, waardoor zelfs verder weg gelegen bronnen langs de hemel slechts iets meer elliptisch lijken.
Wanneer de uitlijning van de cluster en het verre object precies goed is, kunnen de effecten aanzienlijk zijn. De achtergrondstelsels kunnen zowel worden opgehelderd als omgevormd tot ringen en lichtbogen, die meerdere keren in hetzelfde beeld verschijnen. Dit effect, bekend als sterke lensing, heeft astronomen geholpen bij het in kaart brengen van de massaverdeling in MCS J0416.1–2403.
"Door de diepte van de gegevens kunnen we zeer vage objecten zien en hebben we sterrenstelsels met een grotere lens kunnen identificeren dan ooit tevoren", aldus hoofdauteur dr. Jauzac. 'Ook al versterken sterke lenzen de achtergrondstelsels, ze zijn nog steeds erg ver weg en erg zwak. De diepte van deze gegevens betekent dat we ongelooflijk verre sterrenstelsels op de achtergrond kunnen identificeren. We kennen nu meer dan vier keer zoveel sterrenstelsels met een sterke lens in de cluster dan voorheen. '
Met behulp van Hubble's Advanced Camera for Surveys identificeerden de astronomen 51 nieuwe meervoudig gefotografeerde sterrenstelsels rond de cluster, waardoor het aantal verviervoudigd in eerdere onderzoeken verviervoudigde. Dankzij dit effect konden Jauzac en haar collega's de verdeling van zichtbare en donkere materie in de cluster berekenen en een zeer beperkte kaart van de massa produceren.
De totale massa binnen de cluster is 160 biljoen maal de massa van de zon, met een onzekerheid van 0,5%. Het is de meest nauwkeurige kaart die ooit is gemaakt.
Maar Jauzac en collega's zijn niet van plan hier te stoppen. Een nog nauwkeuriger beeld van de melkwegcluster zal ook metingen van zwakke lenzen moeten bevatten. Het team zal het cluster dus blijven bestuderen met behulp van ultradiepe Hubble-beeldvorming.
Ze zullen ook op de grond gebaseerde observatoria gebruiken om eventuele verschuivingen in de spectra van sterrenstelsels te meten en daarom de snelheden van de inhoud van de cluster op te merken. Het combineren van alle metingen zal niet alleen de details verder verbeteren, maar ook een 3D-model van de sterrenstelsels binnen de cluster opleveren, en licht werpen op de geschiedenis en evolutie ervan.
Dit werk is geaccepteerd voor publicatie in de Maandelijkse kennisgevingen van de koninklijke astronomie en is online beschikbaar.
